基于模型試驗的群樁沉樁后超孔隙水壓力分析

孫世光 張鳳亮

超孔隙水壓力是影響軟土地基中樁基設計和施工的重要因素。在飽和軟土中沉樁,由于樁的擠壓作用,樁要排開同體積的土體,使周圍土中的應力場發生很大變化,會產生很高初始超孔隙水壓力[1,2],沉樁后超孔隙水壓力會逐漸消散,但消散較緩慢,這種超孔隙水壓力的存在,不僅影響著樁的承載力,而且還妨礙了施工的進度,甚至還會對周圍環境產生很大的影響。因此,研究沉樁引起的超孔隙水壓力大小、分布及消散規律對研究樁基承載力和樁周土固結有著重要意義。

2 孔壓計埋設情況

試驗時,量測了群樁壓入土體后的超孔隙水壓力的變化,在樁群內外不同位置和深度的土體共埋置了5只孔壓計(U1～U5),孔壓計分別埋入離樁中心外不同距離和深度處,其布置方法見圖2。在壓樁過程中對各測點超孔壓進行同步測量,各測點在不同工況下的超孔壓值列于表2。

1 群樁模型試驗情況

群樁模型試驗在尺寸為1 000 mm(長)×1 000 mm(高)×800 m(寬)的模型箱內進行,按一定的相似比進行模型試驗設計。試驗土樣取自天津淺層海相軟土,經過晾曬、破碎、填箱、加壓固結等過程,壓樁前進行了土工試驗,土性參數見表1。

表1 壓樁前土性參數

表2 各測點處超孔隙水壓力值

模型樁選用長(L)為500 mm、直徑(D)為30 mm的有機玻璃棒,樁間距采用4D,模擬9根群樁擠土情況,由于對稱性,靠玻璃板的模型樁做成了半樁。樁體布置圖見圖1。

3 試驗成果分析

3.1 超孔隙水壓力徑向變化分析

由表2,圖3可見,當單樁沉樁時,先沉入樁對測點附近土體擾動較少,因此此時各測點超孔壓值變化也較少(工況一)。隨著群樁的不斷壓入,沉樁產生的初始超孔隙水壓力在相同深度處的水平方向,隨著測點至樁軸距離的加大而呈非線性減小,這與大量實測資料和模型試驗結果[3,4]基本一致。樁群中超孔隙水壓力要大于群樁外的孔壓值;超孔壓的產生范圍約在單樁直徑的5D以內,其外土體的超孔壓將變得很小。

3.2 超孔壓沿深度的變化

本次模型試驗沿樁側在兩個深度位置埋設了孔壓計,分別為土層面下250 mm處的 U1,U3,樁端處的U2,U4。雖然測點較少,但還是看到隨著測點深度的增加,在樁長范圍內,超孔隙水壓力也是不斷增加的,且較深處超孔壓值增加幅度大于樁間淺層土中超孔壓值(見表3)。另一方面,群樁施工后所產生的最大超孔隙水壓力與有效上覆壓力比值與測點埋深有關,在樁群淺層土中的超孔壓值僅為上覆壓力值的59%,而位于樁群深度500 mm測點處的超孔隙水壓力值達到上覆土壓力的82%。

表3 不同工況下不同深度處超孔壓比值

3.3 沉樁順序的影響

本次模型試驗采用倒“Z”字形壓樁順序依次將模型樁壓入土中。隨著樁的不斷壓入,測量各點超孔壓值呈不斷增長趨勢。由于壓樁順序影響,當沉樁位置與測點相距很近時,會導致該點超孔隙水壓力的猛然上升,從表2中可以看出在壓入第2根樁(工況二)時,樁側附近測點 U1和U2分別升高了 126%和177%;在壓入第5根樁(工況五)時,樁側附近測點 U3和 U4分別升高了135%和109%,U5值增加緩慢,僅當工況五時該測點才稍有升高。由表2還可以看出,群樁各處測點位置的超孔壓值是不斷累積的,但樁群中心處超孔壓值比樁周累積值要大,而且超孔壓隨著深度的增加而增加。超孔隙水壓力隨孔壓計與沉樁點的距離變化而變化,沉樁方向趨向測點時超孔壓增大,在測點附近達到最大;背向測點時超孔壓減小,下降速率由快到慢。

3.4 超孔壓的消散

目前,人們對超孔隙水壓力的消散問題進行了理論分析[5,6],本文就模型試驗對沉樁引起的超孔隙水壓力消散進行了實測。

圖4給出了試驗各處超孔壓值隨著時間的增加超孔壓的消散情況。U5距離群樁外較遠處,因此該處的超孔隙水壓力消散較快,3 d左右便趨于緩和。其他各測點在5 d～15 d期間孔壓消散至緩和,15 d～30 d期間各測點超孔隙水逐步消散并趨近于零。

沉樁結束以后很長一段時間,孔隙水壓力才會逐漸消散,周圍土體會發生再固結,而再固結將導致土體有效應力增加,因此,樁的承載力也會隨著時間而逐漸增加,但同時,再固結將導致樁間土下沉,產生樁的負摩阻力,對樁基工程十分不利。

4 結語

1)超孔隙水壓力隨著沉入土體內樁數的增加而不斷積累,且積累到一定程度后變化幅度變緩。最初沉樁時由于擾動程度低,故土體內部超靜孔壓變化幅度較小,但隨著沉入樁數的不斷增加而顯著增大。2)沉樁產生的初始超孔隙水壓力在水平方向,隨著測點至樁軸距離的加大而呈非線性減小,超孔壓的產生范圍約在5倍樁徑;在樁群范圍內,隨著測點深度的增加,超孔隙水壓力是不斷增加的,且外側增加幅度大于樁群區域的土中。3)沉樁順序對超孔壓的影響很明顯,沉樁方向趨向測點時超孔壓增大,當沉樁位置與測點相距很近時,會導致該點超孔隙水壓力的猛然上升并達到最大;背向測點時超孔壓減小,下降速率由快到慢。4)超孔隙水壓力的消散與土體的滲透性有關,消散要經過一個緩慢的過程,群樁施工時要注意采取能使孔隙水快速排除的措施,以減小沉樁擠土效應。

[1] Randolph M F,Carter J P,Wroth C P.Driven piles in clay-the effects of installation and consequent consolidation[J].Geotechnique,1979,29(4):361-393.

[2] 施鳴升.沉入粘土中的樁的擠土效應探討[J].建筑結構學報,1983(1):60-70.

[3] 姚笑清,胡中雄.飽和軟粘土中沉樁引起的孔隙水壓力估算[J].巖土力學,1997(4):30-35.

[4] 陳 文.飽和軟粘土中靜壓樁擠土效應的離心機模型試驗研究[J].河海大學學報,1999(6):103-109.

[5] 夏建中,謝永利.橫觀各向同性土體固結中孔壓消散規律研究[J].中國公路學報,1998,11(4):38-41.

[6] 方詩圣.飽和多孔介質空間Biot固結問題的狀態變量法研究[D].合肥:中國科學技術大學,2002:6.